4.2.2. Учения о брожениях, открытие анаэробиоза
Явления брожения и гниения привлекали к себе внимание исследователей с древних времен. Первые попытки выяснить природу процессов брожения были сделаны в средние века алхимиками. Термин «брожение» (fermentatio) для обозначения всех процессов, идущих с выделением газа, впервые употребил голландский алхимик Я.Б. ван Гельмонт (рис. 4.2.4). Позднее брожения стали выделять из группы химических процессов, сопровождающихся газовыделением. Для обозначения материальной движущей силы брожения, его активного начала использовали термин «фермент». Взгляд на брожение и гниение как на чисто химические процессы был сформулирован в 1697 г. немецким врачом и химиком Г.Э. Шталем (рис. 4.2.5). По представлениям Г. Шталя, брожение и гниение — это химические превращения, идущие под влиянием молекул «фермента», которые передают присущее им внутреннее активное движение молекулам сбраживаемого субстрата, т.е. выступают в качестве своеобразных катализаторов реакции. Однако эта точка зрения принималась не всеми исследователями.
Рис. 4.2.4. Ян Баптист ван Гельмонт (J. В. van Helmont, 1577— 1644).
Рис. 4.2.5. Георг Эрнест Шталь (G.Е.Stahl, 1660—1734).
Одна из первых догадок о связи описанных А. ван Левенгуком «глобул» (дрожжей) с явлениями брожения и гниения принадлежит французскому натуралисту Ж.Л.Л. Бюффону (рис. 4.2.6). Весьма близко подошел к пониманию роли дрожжей в процессе брожения французский химик А.Л. Лавуазье, изучавший количественно химические превращения сахара при спиртовом брожении (рис. 4.2.7). В 1793 г. он писал: «Достаточно немного пивных дрожжей, чтобы... дать первый толчок к брожению: оно потом продолжается само собой. Я доложу в другом месте о действии фермента в целом». Однако сделать это ему не удалось: А. Лавуазье стал жертвой террора французской буржуазной революции.
С 30-х гг. XIX в. начинается период интенсивных микроскопических наблюдений. В 1827 г. французский химик Ж. Б. Демазьер (J.В. Demazier, 1783—1862) описал строение организмов (дрожжей), формирующих пленку на поверхности пива. Однако в работе Ж.Б. Демазьера нет никаких указаний на возможную связь процесса брожения с развивающейся на поверхности бродящей жидкости пленкой.
Рис. 4.6. Жорж Луи Леклерк Бюффон (G.L.L. Buffon, 1707—1788).
Рис. 4.7. Антуан Лоран Лавуазье (A. L. Lavoisier, 1743—1794).
Спустя 10 лет французский ботаник Ш. Каньяр де Латур (Ch. Cagniard de Latour, 1777—1859) предпринял тщательное микроскопическое изучение осадка, образующегося при спиртовом брожении, и пришел к выводу, что он состоит из живых существ, жизнедеятельность которых и является причиной брожения. Почти одновременно немецкий естествоиспытатель Ф. Кютцинг (F. Kuthzing, 1807—1893), исследуя образование уксуса из спирта, обратил внимание на слизистую массу, имеющую вид пленки на поверхности жидкости. Изучая эту массу, Ф. Кютцинг установил, что она состоит из микроскопических живых организмов и имеет непосредственное отношение к накоплению уксуса в среде. К аналогичным выводам пришел другой немецкий естествоиспытатель Т. Шванн (Th. Schwann, 1810—1882). Таким образом, Ш. Каньяр де Латур, Ф. Кютцинг и Т. Шванн независимо друг от друга и почти одновременно пришли к заключению о связи процессов брожения с жизнедеятельностью микроскопических живых существ.
Однако идеи о биологической природе «фермента» брожения, высказанные тремя исследователями, не получили признания. Более того, они были подвергнуты суровой критике со стороны приверженцев теории физико-химической природы брожения, обвинивших своих научных противников в «легкомыслии в выводах» и отсутствии каких-либо доказательств, подтверждающих эту «странную гипотезу». Господствовавшей оставалась теория физико-химической природы процессов брожения.
Человеком, который своими работами положил начало современной микробиологии, был выдающийся французский ученый Луи Пастер (рис. 4.2.8). Научная деятельность Л. Пастера многогранна и охватывала все основные проблемы того времени, связанные с жизнедеятельностью микроорганизмов.
Рис. 4.2.8. Луи Пастер (Louis Pasteur, 1822—1895)
Изучая молочнокислое, спиртовое, маслянокислое брожение, Л. Пастер выяснил, что эти процессы вызываются определенными видами микроорганизмов и непосредственно связаны с их жизнедеятельностью. Позднее, изучая «болезни» вина, болезни животных и человека, он экспериментально установил, что их «виновниками» также являются микроорганизмы. Таким образом, Л. Пастер впервые показал, что микроорганизмы — это активные формы, полезные или вредные, энергично воздействующие на окружающую природу, в том числе и на человека.
Принципиально важным не только для микробиологии, но для более глубокого понимания сущности живого в его разнообразных проявлениях было открытие Л. Пастером у микроорганизмов новых типов жизни, не похожих на те, которые имеют место в мире растений и животных. В 1857 г. Л. Пастер при изучении спиртового брожения установил, что оно — результат жизнедеятельности дрожжей без доступа кислорода. Позднее при изучении маслянокислого брожения он обнаружил, что возбудители брожения вообще отрицательно относятся к кислороду и могут размножаться только в условиях, исключающих его свободный доступ. Таким образом, Л. Пастер обнаружил существование «жизни без кислорода», т.е. анаэробный способ существования. Он же ввел термины «аэробный» и «анаэробный» для обозначения жизни в присутствии или в отсутствие молекулярного кислорода.
Рис. 4.2.9. Фердинанд Юлиус Кон (1828—1898)
Теория Пастера и его эксперименты вызвали интенсивный интерес к бактериологии. Немецкий ботаник Фердинанд Юлиус Кон (Ferdinand-Julius Cohn) (рис. 4.2.9) в юности интересовался микроскопированием растительных клеток. Он, в частности, показал, что протоплазмы растительной и животной клеток идентичны. В 1860-х годах он обратился к бактериям и в 1872 году опубликовал трехтомные наблюдения над микроорганизмами, которые пытался классифицировать на роды и виды. По этой причине Кона можно считать основоположником науки бактериологии.